[論文レビュー] Cascade self-seeding scheme with wake monochromator for narrow-bandwidth X-ray FELs

Gianluca Geloni, Vitali Kocharyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2010

Particle Accelerators and Free-Electron Lasers参考文献 7被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、欧州XFELにおける硬X線FELの狭帯域幅、高スペクトル純度を達成するため、ウェークモノクロメーターを用いた段階的自己シーディング方式を提案する。単結晶・ブラagg透過型幾何構造を採用することで、パス遅延を排除し、熱負荷を低減し、10⁻⁵未満のスペクトル帯域幅を達成するコンactな高コントラスト動作を可能にする。短パルスおよび長パルスモードの両方における実現可能性の検証が行われた。

ABSTRACT

Three different approaches have been proposed so far for production of highly monochromatic X-rays from a baseline XFEL undulator: (i) single-bunch self-seeding scheme with a four crystal monochromator in Bragg reflection geometry; (ii) double-bunch self-seeding scheme with a four-crystal monochromator in Bragg reflection geometry; (iii) single-bunch self-seeding scheme with a wake monochromator. A unique element of the X-ray optical design of the last scheme is the monochromatization of X-rays using a single crystal in Bragg-transmission geometry. A great advantage of this method is that the monochromator introduces no path delay of X-rays. This fact eliminates the need for a long electron beam bypass, or for the creation of two precisely separated, identical electron bunches, as required in the other two self-seeding schemes. In its simplest configuration, the self-seeded XFEL consists of an input undulator and an output undulator separated by a monochromator. In some experimental situations this simplest two-undulator configuration is not optimal. The obvious and technically possible extension is to use a setup with three or more undulators separated by monochromators. This amplification-monochromatization cascade scheme is distinguished, in performance, by a small heat-loading of crystals and a high spectral purity of the output radiation. This paper describes such cascade self-seeding scheme with wake monochromators. We present feasibility study and exemplifications for the SASE2 line of the European XFEL.

研究の動機と目的

• 高エネルギーX線SASE FELにおける狭帯域スペクトル幅を達成する挑戦に応えること。これは、高い縦方向コherー二ンスを要する応用を制限する要因である。
• 長距離の電子ビーム迂回路や正確にタイミングを合わせた二重ビームを必要とする、従来の自己シーディング方式の制限を克服すること。
• 高反復周波数のXFEL、特に欧州XFELのような環境において、深刻な問題となるモノクロメーター結晶への熱負荷を最小限に抑えること。
• 標準的な運用を損なわずに、スケーラブルでコンパクトかつ安全なベースラインFELウインドレールシステムへのアップグレードを可能にすること。
• 段階的増幅およびモノクロメーター化ステージを用いて、フーリエ変換制限帯域幅を達成する可能性を実証すること。

提案手法

• X線ビームへのパス遅延を一切生じさせない、単結晶を用いたブラagg透過型幾何構造のウェークモノクロメーターを採用する。
• 弱い磁気チカインを用いて電子ビームのオフセットを生成し、マイクロビーム形成を抑制するとともに、シーディングのための時間窓を実現する。
• 複数のウインドレール－モノクロメーター段階を段階的に配置し、逐次的にシード信号をフィルタリングおよび増幅するキャスケード構成を実装する。
• 自己シーディングの原則を2段階または3段階のウインドレールステージに適用し、各ステージでダイヤモンド結晶をバンドストップフィルタとして用いてSASEノイズを抑制する。
• 短パルスおよび長パルスモードの両方における性能を分析し、入力出力パワー、スペクトル、SASE抑制効果を比較する。
• 数値シミュレーションを用いて、欧州XFELのSASE2ビームラインにおけるスペクトル純度、エネルギー安定性、および熱負荷を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ウェークモノクロメーターを用いた段階的自己シーディング方式は、硬X線FELで10⁻⁵未満のスペクトル帯域幅を達成できるか？
• RQ2 ウェークモノクロメーターにパス遅延が存在しないことにより、複雑な電子ビーム迂回路や二重ビームの必要性がどのように排除されるか？
• RQ3 複数のウインドレール－モノクロメーター段階を段階的に接続することで、SASEノイズ抑制およびスペクトル純度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 長パルスモードにおいて、反復周波数および入力パワーの増加に伴い、モノクロメーター結晶への熱負荷はどのように変化するか？
• RQ5 段階的方式は、ベースラインFEL機能を損なわせることなく、高い信号対ノイズ比および縦方向コherー二ンスを維持できるか、その程度はどの程度か？

主な発見

• 段階的自己シーディング方式により、スペクトル帯域幅が約10⁻⁵に達し、放射パルスのフーリエ変換制限に近づいた。
• スペクトル純度が顕著に向上し、3ウインドレール構成ではSASE寄与成分が数パーセントにまで低減された。
• 単結晶ウェークモノクロメーターを透過型幾何構造で用いることで、パス遅延を回避し、モノクロメーター結晶への熱負荷が最小限に抑えられた。
• この方法により、ベースラインの欧州XFELウインドレールシステムへのコンパクトで費用対効果に優れたアップグレードが可能となり、通常運用への影響は一切ない。
• 長パルスモードでは、2番目のモノクロメーター化ステージが、スペクトルフィルタリングおよびパワー分布解析を通じてSASEノイズを効果的に抑制した。
• この方式は高い信号対ノイズ比を維持しており、特に新規ビーム技術と組み合わせた場合、非理想効果に対しても頑健であることが示された。